基于Creo2.0裝載機(jī)鏟斗工況的有限元分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)

陳顯均

(1.四川大學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000)

1 鏟斗工況分析

1.1 典型工況

裝載機(jī)在鏟掘作業(yè)過(guò)程中，有三種不同受力情況。

（1）鏟斗水平插入料堆，油缸閉鎖，可認(rèn)為只有水平插入阻力作用在斗刃上。

（2）鏟斗水平插入料堆，轉(zhuǎn)斗油缸或舉升油缸鏟取物料時(shí)，可認(rèn)為只有垂直崛起阻力作用在斗齒上。

（3）鏟斗邊插入邊收斗或邊插入邊舉臂進(jìn)行鏟掘時(shí)，此時(shí)有插入阻力與垂直掘起阻力同時(shí)作用。

1.2 載荷作用情況

裝載機(jī)工作裝置的作業(yè)阻力主要指鏟斗插入、鏟取、舉起時(shí)克服的阻力、摩擦力與重力。為了簡(jiǎn)化分析問(wèn)題，現(xiàn)在假設(shè)它們作用于鏟斗齒尖的刃口上，并集中形成水平插入阻力和垂直掘起阻力。

由于鏟斗切削刃上的受載在實(shí)際作業(yè)中是不可能達(dá)到完全均勻的，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，可以采用兩種較為極端的情況來(lái)討論：第一種情況是對(duì)稱載荷，在該種情況下，載荷是沿著切削力均勻分布的，計(jì)算過(guò)程中可看做一個(gè)斗刃上的集中載荷作用；第二種情況是偏心載荷，此時(shí)載荷偏于鏟斗一側(cè)，此時(shí)可將其簡(jiǎn)化為鏟斗側(cè)邊第一個(gè)斗齒的集中載荷。將對(duì)稱載荷與受力工況結(jié)合起來(lái)，如圖1所示為鏟斗的各種受力工況。

圖1 外載荷作用情況

2 鏟斗的有限元分析

2.1 定義材料屬性

該款9噸裝載機(jī)鏟斗材料為Q345A，安全系數(shù)取n=1.2，許用應(yīng)力[σ]可根據(jù)屈服強(qiáng)度與安全系數(shù)求得。其詳細(xì)參數(shù)如下表1所示。

表1 Q345A的材料屬性

2.2 網(wǎng)格劃分

如圖2所示，網(wǎng)格劃分是有限元建模的必要與重要的一部分，其網(wǎng)格質(zhì)量好壞決定著計(jì)算精度。在對(duì)計(jì)算結(jié)果要求不是很高時(shí)，Creo2.0可以對(duì)鏟斗進(jìn)行網(wǎng)格智能自動(dòng)劃分，不需要人為設(shè)置即可滿足。單元格類(lèi)型選用四面體單元。

圖2 鏟斗網(wǎng)格模型

2.3 定義載荷及邊界條件

網(wǎng)格化分完成之后即可進(jìn)行定義載荷及邊界條件。鏟斗G點(diǎn)和F點(diǎn)的載荷類(lèi)型為承載載荷。在定義載荷時(shí)還要注意以下三點(diǎn)要求。

（1）鏟斗在各鉸接點(diǎn)處的受力為承載載荷，且施加載荷時(shí)，應(yīng)對(duì)載荷按照水平和垂直方向進(jìn)行受力分解。

（2）鏟斗在F點(diǎn)處的受力面有4處，因此在定義兩個(gè)承載面受力時(shí)，每個(gè)面的承載載荷大小為總載荷的1/4。

（3）鏟斗在B點(diǎn)處的受力面有4處，因此在定義4個(gè)面的承載載荷時(shí)，每個(gè)面的承載載荷大小為總載荷的1/4。

定義好各鉸接點(diǎn)處的受力載荷以后，還需要對(duì)各鉸接點(diǎn)處進(jìn)行邊界位移約束。由受力分析可知，各鉸接點(diǎn)處只可以轉(zhuǎn)動(dòng)，不可以左右移動(dòng)，即為銷(xiāo)約束。

2.4 鏟斗有限元分析結(jié)果

鏟斗有限元結(jié)果如圖3、4、5和6所示。

圖3 鏟斗受力云圖

圖4 鏟斗受力矢量云圖

圖5 鏟斗位移云圖

2.5 有限元結(jié)果分析

由圖3、4分析可知，鏟斗受力最大應(yīng)力值為553.5MPa，最大應(yīng)力矢量值為524MPa，兩者均大于許用應(yīng)力值287.5MPa，而且范圍較大。應(yīng)力最大值處位于動(dòng)臂支撐與斗壁板焊接位置處，所以鏟斗結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行二次優(yōu)化。

由圖5、6分析可知，鏟斗的最大位移發(fā)生在鏟斗最前端，最大位移為2.5e-2mm，其變形量很小，基本可忽略。

3 鏟斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由有限元分析結(jié)果可知，鏟斗在受力時(shí)支撐板和斗壁板焊接位置處的受力較大，數(shù)值遠(yuǎn)大于許用應(yīng)力值287.5MPa，所以鏟斗結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化。本文優(yōu)化方法為在斗壁板的內(nèi)側(cè)，支撐板與斗壁板焊接位置處增加一加強(qiáng)板，加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)如下圖7所示。

圖7 加強(qiáng)板

3.2 仿真模擬

圖8 鏟斗受力云圖

圖9 鏟斗位移矢量云圖

3.3 結(jié)果分析

由圖8鏟斗受力云圖可知，優(yōu)化后的鏟斗應(yīng)力值均處于287.5MPa以下，所以云圖顯示最大值大于許用應(yīng)力值，原因是由于焊接應(yīng)力造成的，不影響鏟斗結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

從圖9鏟斗位移云圖可知，優(yōu)化后的鏟斗受力后，其最大位移變形量為2.29e-02，所以從位移云圖上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)也更可靠一些。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)利用Creo2.0軟件，對(duì)裝載機(jī)鏟斗進(jìn)行了有限元分析和改進(jìn)，驗(yàn)證了Creo2.0的實(shí)用性，對(duì)新技術(shù)推廣，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有積極作用。